Планеты формируются в спешке до того, как рассеется протопланетный диск

Фото из открытых источников

Одна из главных задач телескопа JWST — изучение планет, формирующихся в дисках вокруг молодых звёзд. Эти диски не существуют вечно, и способ распределения газа в них влияет на формирование планет.

Существует два основных типа струйных и ветров, которые способствуют рассеиванию протопланетных дисков. Один тип обусловлен мощными магнитными полями, а другой — атомными ветрами, включая фотоиспарительные ветры. У планет есть ограниченное время для формирования, прежде чем эти ветры удалят материал из дисков.

В новом исследовании, опубликованном в журнале The Astronomical Journal, данные телескопа JWST были использованы для понимания того, как различные типы ветров рассеивают газ в дисках, формирующих планеты. Ведущий автор — Наман Баджадж из Лаборатории лунных и планетарных исследований Университета Аризоны.

«Эволюция и распад протопланетных дисков, регулируемые аккрецией, магнитно-запущенными струями и ветрами, а также фотоиспарительными ветрами, коренным образом формируют планетные системы», — пишут авторы. «Определение того, как эти процессы потери массы совместно эволюционируют, имеет решающее значение для определения путей формирования планет».

Наша Солнечная система достигла зрелости примерно 4,5 миллиарда лет назад. Сейчас это в основном пустое пространство, но когда-то она была окружена протопланетным диском. Этот плотный диск состоял преимущественно из газа и содержал примерно в 100 раз больше газа, чем пыли. Хотя часть газа была поглощена в процессе формирования планет, большая его часть просто рассеялась. Знание того, как и когда этот газ рассеялся, является важной частью понимания того, как формируются планеты, особенно газовые гиганты. Если газ диска рассеивается слишком рано, это негативно сказывается на формировании этих планет.

«Самое интересное в этом исследовании то, что теперь мы можем увидеть на большой выборке молодых систем, как механизмы, удаляющие газ из планетообразующих дисков, меняются со временем», — сказала соавтор исследования и научный сотрудник SETI Ума Горти. «Рассеивание диска устанавливает фундаментальные часы для формирования планет: как только газ исчезает, возможность построить богатые газом планеты, по сути, исчезает».

В этой работе исследователи использовали архивные данные JWST MIRI из 72 молодых солнечных систем, включающих звезды, подобные Солнцу. Они использовали молекулярный водород, который диссоциирует при более высоких температурах, для отслеживания быстрых струй и вещества на больших расстояниях от звезды. Для отслеживания фотоиспарительного ветра они использовали ионизированный неон. Совместные наблюдения позволили им различить механизмы ветра.

Молекулярный водород может образовываться из струи, медленного дискового ветра или поверхности диска, поэтому его источник неясен. Но ионизированный водород не является неоднозначным. Для его ионизации необходимы энергичные фотоны в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, поэтому это довольно однозначный признак фотоиспарения.

Они обнаружили, что в определенный момент фотоиспарительные ветры вытесняют магнитно-индуцированные ветры в качестве основных факторов, вызывающих дисперсию диска.

В течение первых ~1-10 миллионов лет за удаление газа отвечают магнитные струи и ветры. Линии магнитного поля проходят через диск, и газ выводится из диска по этим линиям.

Ближе к молодой звезде магнитные взаимодействия между звездой и диском приводят к образованию коллимированных струй, исходящих от оси вращения звезды. Эти струи уже и быстрее, и именно они ответственны за создание объектов Хербига-Харо — туманных областей газа, подсвеченных этими струями.

В первые несколько миллионов лет эти механизмы доминируют именно потому, что звезда молода и очень активна. Она всё ещё сама аккрецирует вещество, и это приводит к выбросам и струям.

«На ранних стадиях эволюции диска класса I/II, когда темпы аккреции высоки, атомная струя ([OI], [Ne II] высокоскоростная компонента) движется вместе с горячим внутренним атомным ([OI] LVC) и молекулярным (H2, преимущественно горячим) ветром. Мы утверждаем, что эти потоки представляют собой магнитогидродинамические дисковые ветры и, вероятно, достаточно плотны, чтобы экранировать внешний диск от высокоэнергетических звездных фотонов», — резюмируют авторы. Это подавляет фотоиспарение на больших расстояниях от звезды.

Но в конце концов звезда начинает созревать. Аккреция замедляется и прекращается, её магнитная активность успокаивается, и это меняет характер её выбросов и их влияние на планетообразующий диск. Вместо магнитно-зарождающихся струй и ветров начинают действовать фотоиспарительные ветры.

«По мере того, как диски эволюционируют в сторону более низких темпов аккреции, атомные струи затухают, а горячие внутренние молекулярные ветры ослабевают ниже порогов обнаружения», — объясняют авторы. «В результате разреженные внутренние потоки могут позволить высокоэнергетическим звездным фотонам проникать глубже в диск, нагревая его поверхность».

Высокоэнергетические фотоны звезды, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, нагревают поверхности протопланетных дисков. В определенный момент это тепло и тепловая скорость превышают локальную скорость убегания из диска. Это тепловой ветер, не требующий магнитных полей. Его иногда называют «атомным ветром», потому что то же самое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, которое нагревает диск, также вызывает диссоциацию молекул, то есть ветер состоит из атомов.

Вторая стадия рассеивания ветров в диске происходит не только из-за замедления аккреции и ослабления магнетизма в стареющей звезде. Сам диск также становится тоньше, а это значит, что большая площадь его поверхности подвергается фотоиспарению. Фотоиспарение также может проделать отверстие в диске, позволяя газам из внешней части диска легче выходить наружу. Этот процесс иногда называют «очисткой диска», и он представляет собой неуправляемый процесс, ускоряющий рассеивание диска.

Астрономы десятилетиями изучали диссипацию в дисках галактик, пытаясь понять механизмы и временные рамки этого процесса. Теперь телескоп JWST обеспечил наблюдательную связь с тем, что когда-то было преимущественно теоретическим явлением. В результате появилось новое понимание процесса формирования планет, которое подчеркивает, насколько быстро может закончиться время для образования газовых гигантов.

«Поэтому формирование планет — это гонка со временем», — сказал ведущий автор исследования Баджадж. «Газовые гиганты, такие как Юпитер, должны сформировать свои массивные атмосферы, пока диск еще достаточно велик, чтобы их обеспечить, прежде чем ветры и струи унесут это сырье в космос».

Эти результаты показывают, что вклад ветров и струй, рассеивающих диски, меняется со временем по мере старения звезды. Следующий шаг — определить, сколько газа удаляют различные механизмы рассеивания с течением времени. Это позволит получить еще более четкую картину формирования планет, показав, сколько времени у газовых гигантов есть для формирования, прежде чем истечет срок их существования.